（机械工程专业论文）高炉汽轮鼓风机便携式监测诊断技术的研究与应用.pdf

. 沪 重庆大学工程硕士学位论文 摘要 abs tract 凡 t h i s a rt i c l e s e t u p a d y n a m i c s m o d e l b a s e o n t h e v i b r a t i o n t h e o ry t h e n d e v e l o p e d a p o r ta b l e i n s p e c t in g a n d b lo o e y d ia g n o s e s y s t e m f o r t h e c o n s t ru c t i o n a n d c o n t i n u o u s w o r k i n g c h a r a c t e r i s t ic o f m a n y h u g e r o t a t i n g m a c h i n e s s u c h as s t r e a m t u r b in e a i r - b l o w e r s a n d g e n e r a t o r s . wh i l e t h e s y s t e m i s r u n n i n g , it c a n re al iz e d a t a c o ll e c t in g , d a t a a n al y s is a n d p r o c e s s in g , c o n f i g u r a t i o n p a r a m e t e r s s e t t i n g , b lo o e y d i a g n o s e a n d p r i n t in g . f u r th e r m o r e it al s o i n c l u d e d s o m e p r e c i s e a n al y s i s f u n c t i o n s u c h as : h i s to r i c d a t a f i n d in g , t r e n d a n al y z i n g fr e q u e n c y f i e l d a n a l y s i s a n d s o o n . t h i s s y s t e m c a n a n al y z e a n d f o r e c as t t h e b l o o e y t y p e , p o s i t io n , s e v e r it y d e g r e e a n d d e v e lo p i n g t r e n d o f s t r e a m t u r b in e a i r - b l o w e r s a n d g e n e r a t o r s . d u r in g t e s t r u n n in g f o r t w o y e a r s , a n al y z e d s o m e c las s i c a c c i d e n t c as e o f s t re a m tu r b in e a i r - b l o w e r s a n d g e n e r a t o r s b y u s in g t h i s p o r ta b le s y s t e m e s p e c i al ly t o t h e n o .2 g r o u p . i n j u ly , 2 0 0 0 p a n g a n g ( g r o u p ) c o r p c h e c k in g a n d a c c e p t i n g t h i s s y s t e m . t h e e x p e r ts w h o a tt e n d th e m e e t i n g a p p r a i s e d t h e s y s t e m h i g h ly f o r t h e p r a c t i c a b i l i t y a n d a d v a n t a g e . k e y w o r d s : a i r - b lo w e r m o n i t o r a n d d i a g n o s e c l a s s i c a c c i d e n t c a s e c h e c k in g a n d a c c e p t i n g 了 洲 州 1 1 重庆大学工程硕士学位论 义 1绪论 1绪论 1 . 1概述 1 . 1 . 1 设备状态监测 所谓设备，通常是指人们从事生产或生活所需的各种机械和设施的总 和。机器设备是现代化的生产工具，而生产工具又是人类改造自 然的物质 基础。每个生产企业都不开生产工具，都存在有机器设备，机器设备和装 置越先进，企业生产能力和技术水平也就越高，因此，从某种意义上说， 设备决定着企业的生产等级、质量水平和开发能力。 设备状态是指设备运行的工况，由设备运行过程中的各种性能参数以 及设备运行过程中产生的二次效应参数和产品质量指标参数来描述。设备 状态的类型包括: 正常、异常和故障三种。 设备状态监测就是通过测定设备的上述各种参数( 例如振动、温度 等) ，来检查其状态是正常或异常。当特征参数小于允许值时便认为是正 常， 否则为异常。故障的严重程度可以用超过允许值的大小来表示。当然 达到某一设定极限值时就应停机检修。若对设备进行定期或连续监测，便 可获得设备故障发展的趋势性规律，对剩余的寿命作出估计， 借此便可进 行预测预报。 1 . 1 .2 故障诊断 一 台设备( 或装置) 的性能指标已低于正常时的最低极限值的设备状 态称之为故障，故障产生的原因有三大类即实体损耗或变异、设计制造和 装置上的缺陷、操作失误等。 维修 故障率 故障率 使用时间 i 一初期故障期;1 i -偶发故障期;i i i -耗损故障期 图1 . 1 设备故障率变化规律图 二-一一 绪论 重庆大学工 程硕士学 位鱼 宝 一般地说， 设备故障的出现也可分为三个时期: 初期故障期、 偶发故障期和损耗故障期。 其变化曲 线如图1 . 1 所示。 称为 “ 浴盆曲线” 在不同的故障期中，设备的故障率是不同的。 图中曲 线称为失效率曲 线，又因其状似浴盆而 故障诊断不仅要检查设备是否正常，而且还要对设备故障的原因、部 位以及严重程度进行深入细致的分析，然后作出 判断。这与状态监测有所 区别。状态监测相当于简易诊断，而故障诊断则相当于精密诊断。在状态 监测判别出 设备有异常时， 可通过故障诊断进一步确定故障的性质、严重 程度、故障类别、故障部位、故障原因，乃至说明故障发展趋势和对未来 的影响。为预报控制、调整、维修及事故分析提供依据。 1 . 1 .3 设备状态监测和故障诊断技术 设备状态监测和故障诊断技术( 下称监测诊断) 的主要技术内容包括 文档建立和诊断实施两大部分。文档建立的目的是确定故障的基准模式， 而诊断实施则包括信号检测、特征提取、状态识别和预报决策四个部分， 如图 1 .2 所示。 信号检测:按不同诊断目的和对象选择最便于诊断的状态信号加 以监测，由 此建立初始模式. 特征提取:将初始模式向量进行维数压缩，形式变换，除去噪声 干扰，提取故障特征，形成待检模式。 状态识别:将待检模式与基准模式对比， 进行状态分类。为此要 建立判别函数，规定判别准则，并力争使误判率最小。 预报决策:根据识别结果采取相应对策，对设备及其工作进行必 要的干预。 所谓预报就是能够对被诊断出来的故障，在不采取任何措施的 情况下，估计继续运行下去会产生什么样的后果，以及还可以继续运行多 长的时间作出估计。 利用正常机器或结构的动态性 ( 如固有频率、振型、传递函数等) ， 与异常机器或结构的动态特性的不同，来判断机器是否存在故障的技术叫 做振动诊断技术。对于在生产中连续运转的机器设备，根据它在运转中产 生的代表其动态 特性的振动信号，采用振动诊断技术可以在不停车的条件 下实现在线监测和故障诊断。振动诊断技术所采用的方法有很多，例如: 振动特征分析、振动频谱分析、倒频谱分析、全息谱分析、时域分析、功 率谱分析等，这些在设备故障诊断中应用十分广泛. 曰.曰. 创子 重庆大学工程硕士学位论文 1绪论 信号 特征 典 型 故 障 匕故障信号 故障档案库 图1 . 2 设备监测与诊断技术的技术内容 设备监测诊断技术是近十多年来发展最迅猛的新兴综合性应用学科 之一: 它利用传感检测技术、信号处理、模式识别系统理论、预报决策、 可靠性分析、电子技术、计算机技术及相关专业领域的研究成果，以设备 及群体为研究对象，根据设备在运行过程中的二次效应( 如热力参数、电 磁参数、机械力学参数、各种性能参数等) 及其动态变化，对设备运行状 态状态进行监测，作出是否有故障、故障种类、部位、原因、严重程度及 发展变化趋势等方面的诊断结果，并制定出相应对策和处理结果。该技术 是实行设备科学管理、保障设备安全经济运行、推广设备预知维修制的技 术基础。 1 . 1 .4故障诊断实施过程 大型旋转机械的状态监测与故障诊断具有其特殊性，这一特殊性表现 在测试的主要对象是一个转动部件，即转子或转轴以及转动体与静止体之 间的相对关系等。转动部件包括转子及连接转子的联轴器等;非转动部件 包括轴承、轴承座、机壳和基础等。转子是旋转机械的核心部件，整个旋 转机械能否正常工作主要决定于转子能否正常运转。当然，转子的运动不 是孤立的，它通过轴承 ( 滑动轴承或滚动轴承)支承在轴承座及机壳与基 础上，即构成了所谓的转子一支承系统.支承的动力学特性在一定程度上 影响转子的运动。但是，我们可以认为，旋转机械的大多数振动问题或故 3 . 奋 重 鱼左 鉴 工 f -it 01 土 堂 位 竺 这 障都是与转子直接有关， 绪论 只有少数问题直接与支承箱体或基础有关。 既然大多数振动故障都是直接与转子运动有关，因此，要求我们主要 是从转子运动中去监测和发现振动故障，这比从轴承座或机壳的振动中提 取信息更为直接和有效。当然，监测转子轴的振动比之测量非转动部件的 振动，在测试技术上难度更大一些。随着传感器和其它电子测试仪器的发 展，对旋转机械的试验研究及运转监测，特别是对转子运动的测试技术都 有了发展，使得我们有可能借助于试验和测量手段更深入地研究旋转机械 的振动问题。 图 1 .3故障诊断实施过程 设备故障诊断技术根据不同的诊断对象、 要求、设备人员、时间、地点等具体情况，要 采取不同的诊断策略和实施措施。图 1 . 3是故 障诊断的基本实施过程，其中实线表示的是计 算机辅助设备故障诊断的实施路线16 1 按照诊断的精细程度，设备故障诊断可分 为简易诊断和精密诊断。简易诊断是设备运行 状态的初级诊断，能够对设备的状态迅速作出 概括的评价。它主要由设备现场工作人员通过 测定设备的某一较为单一的特征参数，检查其 状态是正常还是异常。当特征参数在允许值范 围以内时便认为是正常，否则为异常。往往以 超过允许值的大小来表示故障的严重程度，当 图1 .4简易诊断与精密诊 诊断的关系 达到某一设定值时就停机检修. 一般来说， 简易诊断对人员素质要求不高， 简单易学， 常作为一种常规性的检查措施。 精密诊断是在简易诊断基础上所进行的更深层次的诊断，目 的是对设 曰. . . 曰. 曰. . 曰 臼 重庆大学工程硕士学位论 区 绪论 备故障的原因、部位以及严重程度进行深入分析，作出判断，从而为进一 步的治理决策提供依据。精密诊断需要专用的精密分析仪器，价格昂贵， 同时对使用者的素质要求较高，往往应用于大型、关键设备上。图 1 .4所 示为简易诊断与精密诊断的相互关系。 故障的分析和预测比一般性的监测具有较大的难度。为了进行故障 的分析和预测，不仅要求有较完整的数据监测和采集系统， 而且要求对转 子一支承系统的各类振动问题的一般规律以及机器表现出的现象有深入 的了解。只有两者的结合，才有可能判断出故障的原因及其在机器上的可 能部位。 自 从旋转机械测试中引入微处理机以后，对转子一支承系统的故障分 析和预测起到了有力的推动作用。利用微处理机不仅可以长期采集、储存 大量有关振动的资料信息，并可按所要求的格式进行处理，给故障分析和 预测提供了极为有力的工具。但是，故障预测工作到目 前为止不能说己形 成为一门完整的学科， 因为它涉及到机器多方面的因素， 比如机器的类型， 工作条件变化的影响，可能出现哪些故障，这些故障会有哪些征兆，属于 转子动力学哪一类问 题， 它的振动表现有何种特点， 突出 表现在哪些部位， 用何种测量手段可以获得这些潜在故障信息等等。因此，完成一项大型旋 转机械的监测、保护、诊断系统必须对监测系统及被测对象有较为完整、 深入的整体理解， 只有这样， 监测系统才能担负起保障大型旋转设备安全、 经济运行的职责。 1 . 2 国内外技术水平及发展概况 发电机组、风机等是常见的旋转机械，旋转机械的振动监测与故障 诊断是建立在设备状态监测与故障诊断技术的基础之上的。该技术是近二 十年来发展起来一门新兴综合性应用学科。该技术是利用传感检测技术、 信号处理、模式识别、系统理论、 预报决策、可靠性分析、电子技术、计 算机技术及有关专业领域的研究成果，以设备及其群体为研究对象，根据 设备在运行过程中的二次效 应( 如热力参数、电 磁参数、 机械力学参数、 各种性能参数等) 及其动态变化， 在设备运行过程中( 不影响设备正常工 作) ， 对设备运行状态进行监测， 作出 是否有故障、故障种类、 故障部位、 故障严重程度、故障发展变化趋势等诊断结果，判断设备性能劣化趋势， 并制定出相应对策和处理结果。该技术是实行设备科学管理、保障设备经 济安全运行、 推广设备预知维修( 也称预测维修、 状态维修、 视情维修) 体 制的技术基础。设备维修体制经历了三个阶段: .口. 重庆大学工 程硕士学 位it 3 c 1绪论 1 . 2 . 1事后维修体制:设备 坏了 之 后 再 修 理， 它 是 伴随 着机器的 产生而产生的，并受当时科技水平限制。 这种维修体制的最大缺点是机器 设备损坏造成的损失太大，其后果是不能被人们所能接受的。 1 . 2 . 2 定期维修体制:我国的 定期 维修体 制是5 0 年 代中 期从引 进 苏联大量设备和技术的同时引进的维修方式。定期维修的时间间隔是根据 设计的最少寿命周期或使用过程中统计的最低无故障期确定的。以时间为 依据，实现定期小修、中修和大修，在很大程度上防止了事故发生。但是 由于维修时间的确定性与故障发生的偶然性、统计数据的普遍性与各设备 运行工作的 特殊性之间的矛盾，在实践中常常出 现维修不足( 即失修) 或过 剩维修两种情况。维修不足和事后维修没有什么区别。过剩维修常造成不 该停机的停了，不该拆的拆了，甚至在维修中造成人为故障。这两种情况 都会造成很大的经济损失，严重影响安全生产。为了避免这两种情况，产 生了现代维修体制一预知维修。 1 . 2 . 3 、预知维修体制:连 续( 在线 式 ) 或 定 期 ( 离 线式 ) 监 测设备 状 态， 诊断设备故障， 判定故障类型、 部位、 严重程度、 变化趋势， 使运行、 维护、管理人员能在维修之前做好有关装备，做到该修才修。如果要修， 也是有针对性的修。根据监测诊断结果，进行技术改造，防止故障再次发 生。预知维修是保障设备经济安全运行的最佳维修体制。 根据有关资料介绍，采用设备监测诊断技术后能减少重大事故 9 0 % 以上，节省维修费 用 4 0 - 7 0 。能较大地提高产品质量，增加产品产量， 降低生产成本，提高企业效益。 我国 七十年代末开始推行设备监测诊断技术。在 1 9 8 3年国家经委发 布的 国营工业交通企业设备管理试行条例和 8 7年国务院发布的 全 民所有制工业交通企业设备管理条例中，明确指出: “ 要根据生产需要， 逐步采用现代的故障诊断和状态监测技术，发展以状态监测技术为基础的 预测维修体制” .1 9 9 4年和 1 9 % 年召开的 全国设备管理工作会议更 进一步肯定了这一方向。 我国冶金行业对监测诊断技术的掌握已 相当成熟，如马钢、宝钢已 取 得了宝贵的经验， 攀钢在定期巡检、点检定修等方面也取得了丰富的经 验。存在的主要问题是普及不够、未和维修体制相结合。目前我公司设备 故障和产品质量异议较多的主要原因之一是一期工程的大多数设备己处于 多发故障期;二期工程的设备运行时间短，处于初期故障期，故障率也较 高。为此，公司领导多次强调 “ 一定要加强设备管理工作，抓紧推行点检 6 重 庆大学工 程硕士学位 业塞 1绪论 定修制， 推广设备诊断 技术， 实现状态监测和预知维修” 。 可以 认为，点 检定修制是从定期维修体制过渡到预知维修体制的一种符合我公司实际情 况的过渡性维修方式。 重庆大学在设备点检、状态监测及故障诊断技术领域进行了十多年 的大量的理论研究、系统( 硬件、软件) 研究和工程应用研究， “ 处于国内 领先水平， 达到国际当今先进水平” ，承担并完成了国家级火炬计划项目 ( c d m s信号处理、 故障诊断及振动分析系统系列产品的研制与开发 。 该系列产品分别于1 9 9 0 年、1 9 9 1 年、1 9 9 4 年、1 9 9 5 年通过了国家科委、 国家教委主持的技术鉴定、产品鉴定及项目 验收 家科委、国家教委、中国工商银行、国家劳动部 获得了国家五部委( 国 国务院引进国外智力领 导小组) 联合授予的 国 家级新产品证书 。到目 前为此， c d m s 系列产品 己先后完成了部件仪器、软件开发、离线监测诊断系统、在线监测诊断系 统等四大类2 1 种产品的开发。已在国内3 0 多家大型企业推广应用，并在 1 9 9 3 年、1 9 9 5 年世界银行贷款项目国际招标中两次中标，获得多项国家、 省、 市科技进步奖。 该校在系统的可靠性、实用性等方面更有独到之处。 部分产品在宝钢和我公司也得到了成功的应用。 为了满足实现对不同设备、不同测点的监测和故障诊断的具体要求， 并考虑到信号分析功能的完善性、故障诊断的准确性、经济性、使用的方 便性等，采用离线监测诊断系统。 1 . 3 课题的主要工作内容 1 .3 . 1 问题的提出 攀钢热电厂是新钢铁股份有限公司二级厂矿单位，是保证高炉供风 及冶炼系统的保安电 源的动力基地。该厂有 7台汽轮鼓风机、3台 1 .2万 k wh汽轮发电机，它们的安全、稳定运行是对攀钢炼铁高炉生产和冶炼 系统用电安全有着非常重要的意义。 该厂有 4台上海汽轮机厂生产的 3 6 5 0 m / m i n 轴流式汽轮鼓风机和 2 台 4 0 0 0 m / m i n瑞士苏尔寿轴流是压缩风机。另有一台原苏联 1 9 4 0 - 1 9 5 0 年间制造技术的离心风机，现己报废。3 6 5 0 m 3 / m i n风机为变转速调节风 量 形 式、 运行 最 大 转 速为4 4 0 0 r p m ， 一 般 运行为4 1 0 0 - 4 3 5 0 r p m左右。 4 0 0 0 m / m i n瑞士苏尔寿轴流风机为恒转速静叶调整进风量方式，恒转速为 5 4 5 0 r p m 。 一 般4台 风 机 运 行 ， 分 别向4台 高 炉 供 风。 该 厂 汽 轮发电 机为 1 2 m wh x 3 ，双抽凝汽式汽轮机，恒转速3 0 0 0 r p m . . 这些机组是攀钢的重点关键设备，设备故障种类多，且许多故障非常 隐蔽，如叶片变形、掉片、主轴弯曲、轴向窜动、转子碰摩、油膜共振、 重 庆大学工 程硕士* 位i 区 1绪论 结垢不均匀、转子不平衡等。这些故障的存在， 严重影响鼓风机和发电机 运行的平稳性、经济性，严重影响高炉的安全运行，也严重影响鼓风机的 寿命。这些故障一旦发生，就会造成灾难性事故。 在开展该项目 前， 我厂的检测手段比 较落后， 靠人工经验， 凭手、 耳、 眼发现故障，即不及时又不准确。常造成:有故障时，未及时发现，而发 生事故:无故障时，又例行停机检修。这样即造成人力、物力和财力的巨 大浪费又影响生产的正常进行。 运行、 检修及有关技术人员多次强烈反映: 一定要配置一套可靠、 实用、 先进的便携式振动监测与故障诊断专家系统， 做到无故障时放心运行，有故障时及时预报故障部位、严重程度及其变化 趋势，及时采取有关措施。考虑到我厂关键大型设备总台数较多，在目 前 经济条件下，不可能每台设备配备在线监测系统。大部分故障是有一定变 化过程的，采用便携式系统可以定期对我厂所有的关键设备进行监测，分 析故障的变化趋势。特别是要求结合我厂设备实际情况，开发我厂急需的 实用的便携式振动监测与故障诊断系统，于 1 9 9 9年 3月我公司和重庆大 学共同开发 高炉汽轮鼓风机便携式监测诊断技术的研究与应用项目， 2 0 0 0 年7 月通过了攀钢 ( 集团)公司鉴定。 1 .3 .2 项目内容及目 标 该项目的主要内容是: 监测汽轮机组 ( 包括 1 -7号汽轮鼓风机、1 -3 号汽轮发电机，总 计1 0 台)的振动大小，与有关标准对比，判别机组状态。 监测汽轮机组升降速过程机组的动态特性。 为分析油膜振荡、叶片碰磨、轴向窜动、联接松动、轴不对中、结 构共振等故障的大小及性质提供动态信号分析方法。 系统数据库分为三个:1 ) 稳态数据库， 用于保存机组稳态状况下 测 试的 数据。 2 ) 瞬态 数据库: 用于保存起停机时 测试的 数据。 3 ) 特征数 据库: 用于保存稳态状况下的特征数据， 这些特征数据用来作趋势分析图。 在特征数据库中，每个数据文件保最近所得的3 0 个特征数据。 该系统把设备状态监测、故障诊断、数据库管理有机地结合在一起， 开发一套先进、可靠、实用的蒸汽鼓风机振动监测与故障诊断系统， 重点 解决蒸汽鼓风机的振动监测和振动精密分析，对振源及设备故障作出诊 断。 1 .3 . 3 达到的技术水平，预计的经济效益 通过本项目的实施，使汽轮机组的监测诊断水平达到国内领先水平， 力争接近世界先进水平。通过该项目的研制与实施，主要的经济效益和社 重庆大 学工 程 硕士学 位论 z 会效益如下: 避免重大事故( 如爆炸 绪论 、飞车) 造成的 人身伤亡， 机组停产， 损坏。 避免由于这些重大事故造成的直接或间接经济损失，保证设备在规定的期 间内无故障安全可靠运行。 目 前 我厂对汽轮机组维修过程中发生两种情况: ( 1 ) 没有故障或 故障轻微时 进行例行维修， 造成不必要的停机和多于的维修( 或叫过剩维 修) 。 ( 2 ) 未及时维修造成了 重大事故， 造成维修不足。 利用监测诊断系统 的分析结果及预报情况可及时准备备品备件， 及时处理有关故障，做到该 修就修， 无故障或故障轻微时就不修 ， 放心大胆的运行， 做到预知维修( 或 叫 预测维修、 恰当 维修、 状态维修、 视情维修、 最佳维修 ) 。 这样， 就以 最少的代价发挥设备最佳的效益，做到最佳运行，使设备维修费用、设备 性能劣化与停机损失费用最低 。 如果汽轮机组有故障，通过汽轮机组监测诊断系统可以 迅速查明故 障原因、部位、预测故障影响，从而实现有针对性的按状态维修，哪里坏 了修哪里，而不是大折大卸，延长检修周期，缩短检修时间，提高检修质 量， 减少备件储备，提高设备的维修管理水平。 监测诊断系统可实时动态显示各监测数据，向运行人员提供及时的 信息， 有效地支援运行， 提高设备使用的合理性、 运行的安全性和经济性， 充分挖掘设备潜力，延长服役期限，以便尽量合理地使用设备。 该系统将综合优化重庆大学完成的国家级火炬计划项目、国家级新 产品 c d m s信号处理、故障诊断及振动分析系统的有关技术和方法。 在wi n d o ws 9 8 平台上，采用mi c r o s o ft v i s u a l c + + 6 . 0 编程，打破计算机 应用软件面向文件、数据的传统做法，使用户直接面向自己的车间、生产 线、设备和测点等对象及具体功能。特别是根据现场特点，把设备组态设 置、数据采集、状态监测、 信号处理、故障诊断、数据库管理等有机地结 合在一起。用户可以方便地改变主菜单，修改设备车间、生产线和设备的 数量和名称。该系统软件既可以安装在笔记本计算机上，构成便携式多通 道动态信号采集及分析系统;也可以安装在笔记本计算机或台式计算机 上，完成动态信号分析及设备状态监测、故障诊断、数据库管理等工作。 整体软件的技术关键主要在速度、精度、功能、实用性、灵活性、操作简 便性等方面，本项目 主要是在充分了解国内外同类产品的基础上，采用结 构化、集成化、模块化等软件设计方法，解决以上技术关键。 重庆大学工程 硕士学 位iq 立 2 高炉鼓风机振动分析 2高炉鼓风机振动分析 2 . 1转子动力学模型的建立3 1 1 13 2 3 3 3 5 3 6 ) 3 7 1 转轴在机械中的作用非常重要，同时它也是影响机器正常运行的主要 因素。转轴的速度一直在向 越来越高的方向发展，作用于轴承、基础以及 其它相应零件上的动载荷也随着转速的提高而增加，因此，无论在工厂还 是在试验室，人们都极其关注转轴的牢固性。转轴一旦开始振动超常，就 有可能造成严重的破坏。 由于有许多能产生干扰的振源，轴的转动不是纯转动。干扰运动可能 有许多形式，如轴向的、横向的、以及扭转振动 ( 见图2 . ) 。一根转轴可 能有许多振动现象共存，所以轴的运动可以是强迫振动、瞬态振动和自激 a )以速度w ( t ) 绕自 身轴作纯运动 b )干扰的扭转振动 = 卜- - - - - . . . . . . . . . . . . . . . . - 1 c = c )包含横向及角度变形的横向干扰振动a )干扰的轴向振动 图2 . 1 轴的动态现象 振动 ( 见图2 .2 ) . 在制造过程中，轴可能 存在弯曲、不圆度或不平衡，从而在离心力作 用下产生强迫振动。在运动中， 热的 影响、 磨损或使用条件也能 产生不平 衡.另外还有一些形式的振动是由设计者造成的，例如普通发电机转子由 于紧配合零件产生的内摩擦， 这些因素都能产生转轴的自 激振动。支承转 子的轴承对转子的运动也有很大影响，转轴可以由于滑动轴承中流体或空 气动力的作用产生自 激振动。这些情况使得对转子动态特性的研究不仅是 必要的，而且是非常复杂的。 重庆大 学工 程硕士 望迎 z 高 炉鼓风 机振动全 折 在过去，由于近代仪器和监测方法在控制机械振动中日益广泛的应 用，己积累了丰富的关于转子动态状况的记载。这种以实际机器的状况为 基础的分析有助于建立所研究的现象的较正确的数学模型。数学模型通常 是以理想化的方法反映最主要的现象，把全部的或多数的次要现象忽略 掉，对数学模型的研究可以帮助我们进行动力学的 “ 参数”分析，这样 就能够预见机器发生非正常现象时一些参数的数值范围。每一种动力学现 象都可以用最简单的数学模型单独进行研究，这样做容易得到解析的、定 性的和定量的结果， 还可以对它们在复杂情况下适用性的限制做出评价。 转子的结构形式多种多样， 但对一些简单的旋转机械来说，一般都将 转子的力学模型简化为一圆盘装在一无质量的弹性转子上，转轴两端由刚 性的轴承及轴承座支承。该模型称为刚性支承的转子，对它进行分析计算 所得到的概念和结论用于简单的旋转机械是足够精确的。由于作了上述的 种种简化，若把得到的分析结果用于较为复杂的旋转机械虽然不够精确， 但仍能明确、形象地说明转子振动的基本特征。 转动能 外 界 输 ( 脉 冲 形 式 转子一 f i ( 瞬态振动) ( c 、 图2 . 2转子振动的各种形式 a )强迫的b )瞬态的c )自 激的 外界激振力中有不平衡惯性力、重力、流体压力、各种扭矩等; 能量转换机构可以是轴承和密封中的动力、外摩擦、内摩擦、电机中电动力等。 一般情况下，旋转机械的转子轴心线是水平的，转子的两个支承点在 同一水平线上。设转子上的圆盘位于两支点的中央。当转子静止时，由于 1 1 . i 区 p迷夔全墅丝 c 一 一一 一 圆盘的质量使转子轴弯曲变形产生静挠度， 对转子运动的影响不显著，可以忽略不计， 轴线 a b上 o点相重合，如图2 . 3 所示。 一一 - - 互鱼 鲤 塑 哒 啦 翌 进近- 即静变形， 但由于静变形较小， 即认为圆盘的几何中心 o 与 勺 卜5 图2 . 3单圆盘转子 当转子开始转动后，由于离心惯性力的作用，转子产生动挠度，其向 径为r 。此时，转子有两种运动:一种是转子自 身的运动，即圆盘绕其轴 线a o b的转动;另一种是弓形转动，即弯曲的轴心线a o b与轴承联线 a o b组成的平面绕a b 轴线的转动。 圆盘的质量以m表示，它所受的力是转子的弹性恢复力f f=一k r. . . . ， . . . . . . . . . . . . . ( 2 - i ) 式中k 为转子刚度系数，r = 0 0 。圆盘的转子微分方程为 m x = 凡， - k x m y = f y = - k y ( 2 - 2 ) 令 w乏 =k / m， 则 有 z .( 2 - 3 ) 它的解可以写作: ( 2 - 4 ) 、1，.eej y = x c o s ( wt + 0 0 y s i n ( wt + 0 1 ) 其 中 振 幅x , y 和 初 相 位 盛 、 汽都 与 起 始 的 振 动 状 态 有 关 。 由 ( 2 - 4 )可知，圆盘和转子的中心 o ，在互相垂直的两个方向作频 重庆大学工程硕士学位论文 2 高炉鼓风机振动分析 率为w 。的简谐振动。 在一般情况下， 振幅x , y不相等， o 点的轨迹为 一椭圆。o 的这种运动称为 “ 涡动”或 “ 进动气 为分析其进动情况，将 ( 2 - 3 )改写为复数形式 z + wz z = 0. . . . . . . . . . . . . . . ( 2 - 5 ) 式中z = x + ly ; 其解为 z = b 、 百 w 十 b , e - : . . . . . . . . . . . . . . . ( 2 - 6 ) 式中 b , 和 b z 为 复 振 幅 ， 与 系 统 的 初 始 运动 有 关。 圆 盘中 心o 的 涡 动 就 是( 2 - 6 ) 中 的 两 种 。 其 中 ， 第 一 项 是 半 径 为 网 的 逆 时 针 方 向 的 运 动， 与转动角速度0 反向，称为反进动。其合成速度有以下几种情况: 圆盘或转轴中心的 进动涡动属于自 然振动， 它的频率就是圆盘没有转 动的转轴弯曲振动的自 然频率。 当转子以角速度。作正进动时，圆盘相对于弯曲平面的角速度是 。一 w，其中。 及w均以 逆时针转向为正，因此对于正进动，只有。= ， 时，相对角速度才为零。同理，当圆盘作反进动时，圆盘相对于弯曲平面 的角速度仍可用。一 co表示，但此时口是负值，故对于反进动，圆盘的相 对角速度与q同向，且总不为零。 由于圆盘相对于轴线弯曲平面有转动，转轴上的轴向纤维就处于交替 的拉伸及压缩状态，材料的内阻将影响转子的运动。只有在。= “的条件 下，即圆盘的进动角速度与自 转角速度相等时，圆盘相对于轴线弯曲平面 才没有转动，转轴上各轴向纤维始终保持其原来的拉伸或压缩状态，故材 料的内阻不起作用。如不计外阻的影响，则轴线弯曲平面的进动就可以持 久。我们称。二 。时轴线弯曲平面的进动为同步正向涡动或同步正进动， 。=一 。时则称为同步反向涡动或同步反进动。 重庆大学工程硕士学位论文 2 高炉鼓风机振动分析 2 . 2振动信号的运动特征3 8 1 3 9 1 机械设备出现的故障种类繁多，其诊断信息包括温度、声音、振动、 产弓广弓 应力、流量等。但是，对于旋转机械而言， 样对设备状态具由更直接的反 应，因此振动分析及测量在旋转 没有任何一种信息能象振动那 周期信 号 机械的故障诊断 技术中占有极为重要的地 位。 在工程中，我们测量到的振 动信号通常是幅值随时间变化的 动态信号.动态信号可分为用确 定的时间函数来表达的确定性信 确定性信号 非周期信号 平稳随机信号 随机信号 产了1.|褚ra、 号 信 态 动 非平稳随机信号 图2 .4振动信号分类 号和不能用时间函数来描述的随机信号，具体分类如图2 .4 所示。 下面分别对各类动态信号的运动学特征进行分析。 2 . 2 . 1周期信号 当两个频率相同， 令x , =a , s in ( w t + a , ) 相位不同的简谐振动的合成时: x 2 = a 2 s i n ( w t + a 2 ) ， 则 : x= x , + x 2 = a , s in ( w t + a j + a 2 s in ( w t + 。 ， ) a , s in w t c o s a , + c o s w t s i n a , ) + a 2 s in w t c o s a 2 + c o s w t s i n a 2 s i n w t ( a , c o s a , + a 2 c o s a 2 ) + c o s w t ( a , s in a , + a 2 s in a 2 ( 2 - 7 ) 令 a c o s a=a , c o s a s i n a=a , s i n ( 2 - 8 ) 将 ( 2 - 8 )两端平方再相加，可求得: a = j a ; + a z + 2 a ,a 2 c o s ( a ， 一 a 2 ) 将( 2 - 9 ) 两端相除， 可求得: ( 2 - 9 ) t g a =a , s in a , + a 2 s in a 2 a , c o s a , +a c o s a 2 ( 2 - 1 0 ) 将( 2 - 8 ) 代入( 2 - 7 ) 式， 可得: 重庆大学工程硕士学位论文 2 高炉鼓风机振动分析 x =a c o s a s i n w t +a s in a c o s w t=a s i n ( w t 一a ) 式中， a由 ( 9 ) 表示， a 由 ( 1 0 ) 式表示。 由此可知:两个频率相同的简谐振动，沿同一方向进行时，合成后仍 是一个相同频率运动的谐振动。 两个以上同频率的简谐振动也可用上述方法进行合成，设有k个谐振 动: (wt(wt x, =a , s in x,=a 2 s i n x,=a k s in ( ， ， + a k ) 其 合 成 振 动 可 表 示 为 : x= a s in ( * 十 。 ) 式 中 : “ 一 j f = . 一 ) ( k a 。 一。 ) a。s i n a。 a。c o s a。 k艺带艺 a = a r c t g 当两个频率不同，相位不同的简谐振动的合成时: 令 x , = a , s in (w ,t + a , ) , x , = a 2 s in ( w , t + a , ) 其合成运动为: x= x , + x , = a , s i n ( w ,t + a , ) + a 2 s i n ( w 2 t + a , ) = a , s in ( w ,t + a , ) + a 2 s in ( w ,t + a , ) + ( w 2 一 w 4 + (a 2 一 。 1 ) l = s in ( w , t + a , ) j a , + a 2 c o s r w 2 一 w , ) ， + ( a , 一 a , ) + s in ( w , t + a , + 二 / 2 ) . a 2 s in r w 2 一 、 . ) ， + ( a 2 一 a 由 上式可以看出，两个不同频率的谐振动合成，可以看作是由幅值为 注 . + a , c o s ( - a 一 w , ) ， + a z 一 a , )和 a z s in ( w 2 一 w , ) t + ( a , 一 。 : )l 重 庆大 学工 程 硕 士 堂 位tn z 2 高炉鼓风机振动分析 以 及 相位 为a ， 和a : 十 二 / 2 的 两 个同 频 率 振动 合 成。 其 合 成 结 果为: x二 a ( t ) s in w ,t + 。 。 + a ( t ) 式中: tg a ( t ) a ( t ) = ja, + a 2 十 2 a , a 2 a 2 s i n ( w 2 一 . , k , ( a , c o s ( w 2 一 w , ) + (a 2 一 a , ) 一 a , ) 由上两式可以看出，其合成振动的振幅和相位都随时间变化，已经不 是谐振动。而且当两谐振动的频率都是不大的整数时， 其合成振动是周期 性运动，其周期为两个分振动周期的最小分倍数。 两 个 振 动 频 率比 较接 近，即 其差仓= w 2 一 w , ) 远小于w , 和w : 的 情况: 设 :x 、 二 a , s in ( . i t + a , ) , x2 =a 2 s in ( w e t + a 2 ); 而w 2 = w , 十 ; 则x 2 = a 2 s i n ( w , t + ( e t + a , ) ) ， 即 把 x 2 看 作 和 x ， 具 有 相 同 的 频 率， 相 位( e t 十 a 2 ) 随 时 间 进 行 缓 慢 的 变 化 运 动 ， 其 合 成 运 动 为 : x= x , + x 2 二 a , s in ( w ,t + a , ) + a 2 s i n ( w , t + 佃+ a 2 ) ) 令 : x = a ( t ( t ) s in w , t + a ( t a 利用同频率的 两个谐振动合成的公式( 2 - 9 ) . ( 2 - 1 0 ) 可得: ， ( t ) 一l a 2 十 a 22 + 2 ， 、 ， ， c o s le ， 十 ( a 2 一 。 、 ) l tg a w =a , s i n a , + a z s in 卜+ a , c o s a , + a z c o s 卜+ _a , 一u, ( 2 - 1 1 ) 可 见 这 心成 振 动 近 似 于 正 弦 振 动 ， 但 其 振 幅 随 时 间 发 生 变 化 。 由 (2 - 1 1 ) 可知: 重 丛 人堂 旦 逮 鲤 吐生 应 竺 主一 - 一 -一 当。 o s e t + ( a 2 一 a , ) = 1 时 ， 即 “ + a , 一 a , = 2 n ; r 2 高炉鼓风机振动分析 ( n = 0 . 1 、 2 . . . . . ) 或 1 2 n 7r - (a , 一) 万时 ， 振 幅 达 到 最 大 值 ， 其 值 为 : =a z +鸿: 卜偏 当c o s e t + ( a , 一 a , ) l 一 1 时，即 ， - 2 n )r + / 一 ( a 2 一 e 时， 振幅达到 最小 值， 其 值为a m ,=a ， 一a 2 这种振幅 在最大 值( a z 现象叫做 “ 拍振” 0 +a) 和 最小 值( a z 一 a . ) 之间 作 周 期 变化的 互相垂直的两个谐振动的合成 令: x = a s i咖t + a , ) ， y 二 b s in ( w , t + a 2. . . . . . . . . . . . . . . . . ( 2 - 1 2 ) 其合成结 果 与频 率w w ， 和 相位a , a 2 有 关， 合成 得到的 图 形称为 李 萨育图形.当w , = w , 时 ，由 ( 2 - 1 2 ) 有: s in w t c o s a , + c o s w t s i n a , s i n w t c o s a 2 + c o s w t s i n a 2 ( 2 - 1 3 ) 中时间参量t 得到 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， .( 2 - 1 3 ) - x-ay一b 消去 (令 )2 + ( b ) 一 ， _x ya b 一 一 ， = sin 一 ， 一般来说，上述方程是一个椭圆，因为质点的位移 x . y在有限范围内变 动，则椭圆不会超出 2 a和 2 b为边的矩形。同时，椭圆长短轴的大小和 方向由 相位差( a : 一 。 ， ) 决 定. 谐波分析 简谐振动是周期性振动最简单的形式，在实际问题中更多的是非简谐的周 期性振动。 周期振动只要满足以下条件， 也可以分解为简谐振动， 条件是: 1 函数在一个周期内 连续或只有有限个简短点，而且间断点上函数的左 右极限都存在;z 在一个周期内只有有限个极大和极小值。把一个满足 )- .于ie t . 一一 一一z a m o a 9 m m f w r 上述条件的周期函数展开成傅立叶级数，亦即展开成一系列简谐函数之 和，称为谐波分析。谐波分析是频谱分析的基础。 设 有 一 周 期 性 函 数 ( t ) 它 的 周 期 为t ， 可 以 展 开 成 傅 立 叶 级 数 。 户2 x 0 + a , c o s w t + a 2 c o s 2 w t + + b , s i n w t + b 2 s i n w t + . =a o+ 艺( a c o s n w l + b s in n w t 式中 w 二 月宫1 2汀